辽河口潮滩湿地景观格局空间演变的动态分析

2022-01-10王旖旎康亚茹陈旭郭聪聪张明亮丁存利

大连海洋大学学报 2021年6期

王旖旎，康亚茹，陈旭，郭聪聪，张明亮,2*，丁存利

(1.大连海洋大学海洋科技与环境学院，辽宁大连116023；2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024；3.盘锦红海滩湿地旅游有限公司，辽宁盘锦 124216)

景观格局一般指形状与大小各不相同的景观要素在空间的排列与组合，是景观异质性的体现，其变化和发展是自然、生物及社会等各种生态过程在不同时空尺度上相互作用的结果[1]。将景观格局概念引入湿地研究领域，探究湿地景观演变的过程，进而揭示自然与人类活动对湿地生态的影响机理已成为当前研究的热点。湿地景观生态学研究主要包括湿地景观格局演变与驱动力分析[2-6]、湿地景观格局动态变化预测[7-9]，以及通过景观格局指数对湿地进行生态评价[10-11]。河口湿地主要位于海、河及陆地交界的潮间带区域，潮汐的涨落使湿地受海水周期性淹没，因此，河口湿地是一种具有独特水文、土壤及生物特征的生态系统，也是自然界最富生物多样性的景观之一[12]。近年来，河口湿地生态系统面临着一系列问题，如面积锐减、景观破碎化程度日益加深、湿地功能丧失等[13-14]，河口景观格局变化及其驱动机制分析已成为景观生态学领域需长期关注的热点问题[2,4,15]。

作为典型的三角洲河口，辽东湾辽河口海域是中国众多河口湿地海域中一个独特的代表，河口拦门沙浅滩发育，沿岸形成了大范围的潮间带。翅碱蓬由于抗盐性较好并对辽河口潮滩泥质、气候等具有良好的适应性，因此，其成为该区域的优势植被群落，形成世界闻名的“红海滩”。近年来，随着社会经济的发展和人口的增长，以及人类大规模的开发活动，辽河口潮滩湿地发生了重大变化，并产生了一系列的生态环境问题，尤其是辽河口潮滩湿地发生了严重的退化现象，河口湿地生态功能受到较大的影响。

通过分析文献发现，国内对内陆滨湖湿地及珠江口、黄河口湿地的景观格局研究较多[4-7,11]，而有关辽河口景观格局演变的研究范围往往扩大到辽河三角洲[16]，部分针对辽河口潮间带的景观格局研究则缺少潮滩典型植被演替特征等相关内容[17-18]。鉴于此，本研究中基于1986—2018年的多时相遥感数据，对辽河口潮滩湿地区域内不同景观类型的面积大小与空间分布数据进行统计，分析了辽河口潮滩湿地景观格局指数年际动态变化特征，旨在探究辽河口潮滩湿地景观格局动态变化的影响因素，以期为辽河口潮滩湿地的可持续发展提供科学参考。

1 研究区域及方法

1.1 区域概况

辽河口潮滩湿地位于辽东湾北端顶部，湿地面积为6 985.76 km2。辽河口潮滩湿地是多种鸟类的理想栖息繁殖地和迁徙停歇地，其中包括丹顶鹤、黑嘴鸥等多种国家一类保护鸟类。为保证区域景观格局研究的全面性、代表性和完整性，本研究区域选取位于盘锦市辽河口潮滩湿地(121°30′～122°00′E，40°50′～41°20′ N)，其中包括辽河、大辽河及大凌河的入海口。综合考虑1986—2018年辽河口潮滩各景观空间范围与辽河口潮滩植被演替过程，研究区域范围如图1所示，面积为701.88 km2。

图1 研究区域地理位置Fig.1 Geographic location of the surveyed region

1.2 数据来源及研究方法

为了明晰研究区域潮滩湿地景观格局的变化，本研究中结合辽河口潮滩工程建设对辽河口自然环境干预的关键节点，以5年为时间间隔选取1986—2018年同/近时相的遥感影像进行分析。由于春夏季节芦苇与农田的光谱信息接近，植被分类较为困难，而秋季两种植被光谱差异较大，因此，选取各年度9月的无云影像进行解译。数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)和中国科学院遥感与数字地球研究所网站提供的Landsat5 TM影像及Landsat8 OLI影像，由于2010年的影像被云层覆盖，故选取2009年的影像替代2010年影像，具体影像基本信息如表1所示。

表1 辽河口1986—2018年的遥感影像Tab.1 Remote sensing images in Liao River Estuary from 1986 to 2018

通过ENVI 5.4软件对遥感影像进行辐射定标及大气校正后，采用eCognition 9.0软件对增强后的影像利用面向对象的方法和归一化指数进行分类，并结合目视判读提高分类结果精度[19]。参考辽河口潮滩景观的光谱信息与野外实地调查结果，综合考虑研究内容的需要，将辽河口滨海湿地分为7种地物类型，具体如图2所示。研究区主要包括5种地物类型，即建筑(包括养殖池及水利工程建设等)、芦苇、潮滩、农田和翅碱蓬。为了能够准确地反映潮滩湿地景观格局的结构信息，参考其他学者的相关研究[16-18]，选取斑块密度(patch density, PD)、最大斑块指数(largest patch index, LPI)、斑块分维数(fractal dimension Index, FD)、面积加权形状指数(area-weighted mean shape index, AWMSI)、景观多样性指数(shannon’s diversity index, SHDI)、景观均匀度指数(shannon’s evenness index, SHEI)、平均斑块面积(mean patch size, MPS)和蔓延度指数(contagion index, CONTAG)等指标，在景观格局软件Fragstats 4.2中对辽河口潮滩湿地的景观格局进行分析，具体景观格局指数计算公式如表2所示。

表2 景观格局指数及其生态学意义Tab.2 Index and their ecological meaning of landscape pattern

图2 辽河口滨海湿地遥感影像分类结果Fig.2 Classification results of remote sensing image of coastal wetland in Liao River Estuary

2 结果与分析

2.1 辽河口潮滩湿地面积变化特征

2.1.1 面积变化趋势根据辽河口潮滩湿地景观特征，将研究区域的地物分成自然景观与人工景观，自然景观包括潮滩、芦苇和翅碱蓬，人工景观包括养殖池、水利工程设施和农田，结果见表3。

从表3可见：在1986年，研究区域以自然景观为主，其占总面积的91.7%，人工景观总面积较小，占比为8.3%；1990年，由于防潮大坝的修建，潮滩面积大量减少，养殖池与水利工程设施的总面积增长至原来的3倍，此时，自然景观仍然是辽河口潮滩湿地的主导景观，占比为77.58%；1995—2009年，自然景观面积逐渐下降，5年平均下降率为1.29%，其中，潮滩面积5年平均下降率最为剧烈(1.47%)，芦苇面积5年平均下降率为1.05%，而人工景观面积不断增长，其中，增长最快的为农田(8.63%)，其次为养殖池(1.20%)，2009年辽河口潮滩湿地自然景观与人工景观比例相近；2015年，盘锦港的建成直接导致自然景观面积快速减少，自然景观面积的占比降低至29.71%，人工景观成为辽河口潮滩湿地的主导景观，其中面积下降最为剧烈的自然景观为潮滩，而水利工程设施与其他建筑的面积大量增加；2018年，辽河口潮滩湿地的景观面积比例与2015年相近，自然景观面积的占比略有下降，为28.64%。

表3 1986—2018年研究区域景观类型Tab.3 Landscape types of surveyed area from 1986 to 2018

根据辽河口潮滩湿地面积长时间序列下的变化情况可知，1986—2018年，辽河口潮滩养殖池的增长面积为215.17 km2，水利工程设施与其他建筑的增长面积为177.19 km2，农田的增长面积为50.27 km2，由此可见，养殖业的发展和水利工程建设是导致辽河口潮滩自然景观面积降低、人工景观面积增加的主要影响因子。

2.1.2 岸线变化特征研究区域内岸线可划分为自然岸线与人工岸线，其中人工岸线主要包括养殖区岸线、港口与码头岸线、城镇与工业岸线及围垦岸线。根据遥感监测和岸线矢量化结果，提取辽河口两个时期岸线(1986—2000、2000—2015年)进行分析，岸线空间变化如图3所示，长度变化如表4所示。

图3 1986—2015年间研究区域岸线变化Fig.3 Coastline change in the surveyed area from 1986 to 2015

表4 1986—2015年研究区域岸线长度Tab.4 Length of the coastline in the surveyed area from 1986 to 2015 km

从表4可见：1986年，岸线长度为346.08 km，2000年，岸线长度出现了较大的变化，为432.92 km，2015年后，岸线长度趋于稳定，为495.58 km；研究区域的岸线长度总体上呈上升趋势，其中1986—2000年14年平均岸线增长率(1.79%)大于2000—2015年15年平均岸线增长率(0.96%)。随着岸线长度上升，岸线的形状也趋于复杂化，1986年，研究区域主要以自然岸线为主(占总岸线长度的78.39%)，人工岸线的类型为养殖区岸线和城镇与工业岸线(占比为21.61%)；2000年出现了港口与码头岸线(占比1.22%)和围垦岸线(占比2.26%)，养殖区与城镇岸线的比例由1986年的21.61%上升为2000年的42.59%；2015年，由于盘锦港的修建，港口与码头岸线比例上涨至20.25%，人工岸线比例上升至57.53%。结合岸线长度、类型及空间分布的变化可知，辽河口潮滩岸线向海扩张，岸线类型由自然岸线向人工岸线转换。1986—2000年，辽河口岸线变化的主要原因是大面积的围垦建坝(辽河东岸)与养殖业的发展(辽河西岸)；2000—2015年，岸线变化的主要原因是盘锦港的修建(大辽河西岸)。另外，辽河口的冲淤作用也是导致辽河两侧自然岸线形态变化的重要原因之一。

2.2 类型水平上景观格局特征

2.2.1 景观斑块面积和结构特征图4给出了辽河口潮滩湿地各景观斑块面积和结构的年变化趋势。从图4(a)可见：潮滩的LPI指数1986年为84.25%，2018年其值为14.81%，整体上呈陡坡式下降趋势；养殖池的LPI指数呈逐年上升趋势，芦苇与翅碱蓬的LPI指数波动幅度较小，农田的LPI指数呈先上升后下降的趋势，养殖池、水利工程与其他建筑的LPI指数变化在2015年后呈现稳定趋势。PD指数作为描述湿地各景观类型破碎度的重要指数，可以从侧面反映出景观斑块数目的变化。图4(b)给出了辽河口潮滩各类景观地物的PD指数变化规律，其中，芦苇、翅碱蓬、潮滩及水利工程与其他建筑的PD指数呈N形，即呈现升高—降低—再升高的变化趋势，养殖池与农田则呈现先升高后降低的趋势。

图4 1986—2018年辽河口湿地各景观类型面积与结构主要特征指数Fig.4 Main characteristic indices in area and structure for landscape components in the wetlands of Liao River Estuary from 1986 to 2018

结合LPI指数及PD指数的变化规律分析可知：1986年，芦苇和翅碱蓬相较其他年份PD指数较高，说明其在辽河口潮滩呈散点状分布，而潮滩LPI指数最大，说明其面积最大，呈连续分布，这表明自然景观是辽河口的优势景观；1990年，防潮大坝的修建导致辽河口潮滩湿地破碎化，潮滩PD指数上升，LPI指数大幅下降；1995—2005年间，辽河口潮滩湿地开发进程减缓，潮滩LPI指数下降速度变慢，芦苇及翅碱蓬的PD指数降低，说明防潮大坝内破碎化的芦苇、翅碱蓬、潮滩在人工围垦影响下形成规则的苇田；2009年后，由于盘锦港的修建，导致水利工程的LPI指数升高，潮滩与芦苇的LPI指数降低，人工景观成为辽河口的优势景观，各类地物的PD指数上升，其中芦苇与翅碱蓬的PD指数上升则说明潮滩植被在盘锦港修建后向分散破碎的状态转换。

2.2.2 典型植被景观斑块的形状特征考虑到人工景观建成后形状一般不会发生变化，而潮滩的形状是由辽河口其他景观形状变化决定的，因此，本研究中主要对辽河口潮滩植被的形状指数进行分析，采用FD和AWMSI指数分析1986—2018年芦苇和翅碱蓬的形状特征，结果如图5所示。整体而言，辽河口潮滩植被的FD指数变化范围较小，其FD指数均小于1.1，这说明其自我相似性强，抵抗外界影响的能力较弱，且易受人类活动影响(图5(a))。翅碱蓬的AWMSI指数较低，说明研究区域内，翅碱蓬的形状简单，抵抗人类活动影响的能力更差；1995—2009年芦苇的AWMSI指数不断上升，说明在沿海大坝修建后，芦苇面积不断增加，形状也有复杂化趋势，抵抗外界活动的能力增强，然而，2015年盘锦港修建完成后，芦苇的AWMS指数不断下降，说明研究区域芦苇的面积缩减，斑块形状也向简单化方向发展(图5(b))。

图5 1986—2018年辽河口潮滩植被形状主要特征指数Fig.5 Main characteristic indices of shape for tidal flat vegetation in Liao River Estuary wetlands from 1986 to 2018

2.3 河口湿地景观整体水平格局变化分析

为了对研究区域整体景观格局进行更全面的评价，选取MPS、CONTAG、SHDI和SHEI指数在整体水平上对辽河口潮滩景观格局进行分析，结果如表5所示。辽河口湿地整体景观格局的MPS指数呈先下降后上升再下降的趋势，其值在1990年最小，说明1990年防潮大堤的修建对其产生了较大的影响。1986—2018年，研究区域整体景观格局的CONTAG指数呈下降趋势，其中，1986—1990年、2009—2015年整体景观格局的CONTAG指数下降速率较快。MPS和CONTAG指数下降，表现为辽河口潮滩湿地的斑块数目增加，斑块形状趋于简单化，斑块间的连通性降低，辽河口潮滩各景观间的团聚性与延伸性下降，自然景观的连续性被破坏。SHDI与SHEI指数不断上升，其中，1986—1990年与2009—2015年这两个指数的上升速率较大，SHDI指数上升说明各景观类型的所占比例差异度增加，人工景观与自然景观所占比例发生了较大变化，而SHEI指数的上升说明各景观类型间的分配程度越来越均匀。结合各景观的PD指数变化可知，SHDI与SHEI指数上升虽不能说明辽河口生态环境优化、破碎度降低，但可以说明辽河口潮滩自然景观优势度降低，人工景观优势度升高。

表5 1986—2018年辽河口湿地整体景观格局指数动态变化Tab.5 Overall landscape pattern index in Liao River Estuary wetland from 1986 to 2018

结合MPS、CONTAG、SHDI和SHEI 4个景观格局指数的变化规律可知，辽河口区域的破碎化程度升高，自然景观的优势度降低，连续性下降，导致这一因素的主要原因是潮滩工程建设。

2.4 典型植被斑块演替路径

翅碱蓬和芦苇是辽河口潮滩的典型植被，为探究人类活动对辽河口潮滩湿地植被的影响，对这两种典型植物的空间分布及面积变化进行了分析。选取了2个典型的人类活动节点，将初始状态(1986年)、防潮大坝修建后(2000年)及盘锦港修建后(2015年)3期辽河口潮滩湿地矢量数据在ArcGIS 10.4中进行空间叠加，进而归纳辽河口潮滩湿地12种景观格局演替路径，结果如图6所示。其中，各类人工景观侵占辽河口潮滩及潮滩植被的面积最大，占总面积的61.86%，未发生变化的区域面积占总面积的26.98%，潮滩内自然景观相互演替的面积最小，占比为11.16%；辽河口植被演替有南移趋势，芦苇群落演替翅碱蓬群落的速度加快，在鸳鸯岛区域明显出现了“红退绿进”现象。

图6 研究区域景观演替路径Fig.6 Landscape succession paths in the survey area

3 讨论

3.1 工程建设对辽河口潮滩植被的直接影响

本研究结果显示，1986年，翅碱蓬广泛分布在大凌河、辽河与大辽河两侧河岸，其中，辽河两侧的翅碱蓬面积最大，东岸的翅碱蓬面积要大于西岸，总面积为25.19 km2；而芦苇主要分布在研究区域西北部和辽河上游，在翅碱蓬植被的生长区也会出现小面积的芦苇斑块，总面积为34.15 km2(图2)。截至2015年，由于养殖池、防潮大坝、盘锦港等潮滩工程建设的影响，辽河口潮滩区域的翅碱蓬和芦苇面积与空间分布出现了较大变化，工程建设区域内植被大量死亡，各类相关工程实施后，大量的自然潮滩湿地转为农田、水产养殖池和港口等人工景观。翅碱蓬被人工景观侵占的面积为16.29 km2，达到初始状态面积的64.67%，被侵占消失的翅碱蓬主要分布在大凌河两岸、辽河西岸与防潮大坝东北部；芦苇被人工景观侵占的面积为17.23 km2，为初始状态的50.42%，主要分布在研究区域西北部与防潮大坝东北部(图6)。因此，潮滩工程建设等人为活动将自然潮滩湿地转为人工景观，致使海岸带潮滩湿地的空间格局发生变化，进一步导致潮滩湿地功能退化。

3.2 工程建设对辽河口潮滩植被的间接影响

潮滩工程建设除了直接导致翅碱蓬和芦苇面积减少外，还会加速辽河口部分区域的淤积过程，改变辽河口的生态环境，进而影响植被的空间分布与演替过程。如1990年辽河口防潮大堤修建后，在防潮大堤的西侧海岸出现了潮滩淤积，致使该区域外侧潮滩生境变化，出现了新生翅碱蓬群落。另外，1986—2000年，大凌河附近人工养殖开发致使该区域外侧形成新的适合植物生长的潮滩生境，出现了新生翅碱蓬群落。1995年三角洲水库的修建导致辽河上游淡水减少，这也是影响翅碱蓬群落向南迁移的重要因素。此外，受辽河径流和海域潮流变化相互作用，河口沉积地貌发育明显，逐步形成了鸳鸯岛和众多水下浅滩，2000年鸳鸯岛雏形初现，岛上出现翅碱蓬群落。由2015年遥感影像可知，三道沟渔港东侧浅滩出现大面积的翅碱蓬植被，其形成原因主要是工程建设改变了辽河口海域的水动力特性，致使该浅滩淤积加速[20]，地形升高，形成了适合翅碱蓬生长的环境。辽河口潮滩上的芦苇耐盐性较差，其群落淹水时间不能过长，因此，地形的升高会导致翅碱蓬群落被芦苇群落所演替。辽河每年携带大量泥沙入海，在潮流的作用下泥沙逐年堆积，鸳鸯岛区域潮水不能形成周期性淹没，此时岛上的大部分原生翅碱蓬群落逐渐被芦苇演替。总体上，辽河口潮滩湿地翅碱蓬植被向南迁移，东、西两侧翅碱蓬有向辽河两岸聚拢的趋势。研究区西北部的芦苇向陆地方向扩张，辽河两岸芦苇有向南扩张的趋势。